Μεθάνιο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Μεθάνιο
Χημικό όνομα	Μεθάνιο
Δομικές ιδιότητες
Χημικός τύπος	CH4
Γωνία δεσμού H-C-H	109° 28'
Πόλωση δεσμού H-C	4%
Μήκος δεσμού H-C	109 pm
Φυσικές ιδιότητες
Μοριακή μάζα	16,0425
Σημείο τήξης (1 atm)	-182,5°C
Σημείο βρασμού (1 atm)	-161,5°C
Διαλυτότητα στο Η2Ο (17°C, 1 atm)	35 g/m3

Το Μεθάνιο (Methan, Methane) είναι to απλούστερο αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με χημικό τύπο CH₄. Είναι αέριο άχρωμο και άοσμο, ελάχιστα διαλυτό στο νερό. Διαλύεται ευκολότερα σε οργανικούς διαλύτες. Η ύπαρξή του δεν ανιχνεύεται εύκολα, ενώ με τον αέρα σχηματίζει εκρηκτικά μίγματα. Αυτός είναι ο λόγος που συχνά αναφέρονται εκρήξεις σε ανθρακωρυχεία. Είναι επίσης το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου. Καίγεται κατά την αντίδραση:

Η σχετικά μεγάλη ενεργειακή απόδοση και η καθαρή καύση του το κάνουν ένα πολύ ελκυστικό καύσιμο.

Πίνακας περιεχομένων 1 Προέλευση 1.1 Στην ατμόσφαιρα της Γης 1.2 Εξωγήινο μεθάνιο 2 Παρασκευές 2.1 Στη βιομηχανία 2.2 Στο εργαστήριο 3 Ιδιότητες 3.1 Οξείδωση 3.2 Αλογόνωση 4 Χρήσεις 5 Παρατηρήσεις 6 Πηγές

[Επεξεργασία] Προέλευση

Είναι αρκετά διαδεδομένο στη φύση, καθώς αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου (περίπου 75%). Απαντά επίσης σε ανθρακωρυχεία (αέριο ορυχείων) καθώς και σε περιοχές όπως έλη ή πυθμένες λιμνών, όπου γίνεται αποσύνθεση οργανικών υλών και εκλύεται υπό μορφή φυσαλίδων.

[Επεξεργασία] Στην ατμόσφαιρα της Γης

Νωρίς στην ιστορία της Γης (περίπου πριν 3.500.000.000 χρόνια) υπήρχε 1000πλάσια συγκέντρωση CH₄ στην ατμόσφαιρα του πλανήτη. Αυτό το αρχικό CH₄ απελευθερώθηκε στην ατμόσφαιρα από την ηφαιστειακή δραστηριότητα. Κατά τυη διάρκεια αυτής της εποχής πρωτοεμφανίστηκε η ζωή. Αυτά τα πρώτα αρχαϊκά βακτηρίδια αύξαναν ακόμη περισσότερο το CH₄, μεταβολίζοντας Η₂ και CO₂ σε CH₄ και H₂O:

Το οξυγόνο (O₂) δεν είχε ακόμη μεγάλη συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα. Αυτό έγινε εφικτό αργότερα, όταν άρχισε η φωτοσυνθετική δραστηριότητα. Έτσι το CH₄ παρέμενε άθικτο για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήμαυτα και σε πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις από ότι σήμερα.
Αργότερα, όταν άρχισε να αυξάνεται η συγκέντρωση του O₂, άρχισε μια αργή οξείδωση του CH₄, με αποτέλεσμα τη σταδιακή μείωση της συγκέντρωσής του στην ατμόσφαιρα. Σ' αυτό συνέβαλέ και η άπλετη υπεριώδης ακτινοβολία από την ηλιακή, αφού ούτε το στρώμα του όζοντος υπήρχε ακόμη. Είχαμε λοιπόν αντιδράσεις της μορφής:

Στη διάσπαση του CH₄ έπaiρνε μέρος και η υγρασία:

Φτάνοντας στους σύγχρονους του ανθρώπου καιρούς, χάρη στην αύξηση του οξυγόνου, η συγκέντρωση του CH₄ μειώθηκε δραστικά, αλλά κατά τον τελευταίο αιώνα τείνει να αυξηθεί και πάλι από έντονες ανθρωπογενείς δραστηριότητες και κυρίως τη μαζική κτηνοτροφία βοειδών.
Το μεθάνιο γενικά παράγεται κοντά στο έδαφος και σταδιακά ανέρχεται στη στραατόσφαιρα με ανοδικά ρεύματα στις τροπικές ζώνες. Σ' αυτά τα στρώματα παράγεται ατομικό οξυγόνο, (O^.)) που αντιδρώντας με την υγρασία της ατμόσφαιρας παράγει πρόσθετα OH^. που αποικοδομούν CH₄

Το μεθάνιο έχει σημαντική συνεισφορά στο φαινόμενο του θερμοκηπίου με σχετικά υψηλό δυναμικό θέρμανσης. Άλλωστε, σταδικαά οξειδώνεται στην οξυγονούχα ατμόσφαιρα, παράγοντας CO₂ και H₂O, που και τα δυο είναι επίσης αέρια του φαινομένου. Η ημιζωή του στην ατμόσφαιρα ανέρχεται σε 7 χρίνια.
Η συγκέντρωση του μεθανίου στη γήινη ατμόσφαιτρα το 1998 ήταν 1745 ppb, από 700 ppb το 1750. Την ίδια περίοδο, το CO₂ αυξήθηκε αντίστοιχα στα 365 ppm από 278 ppm. Επιπλέον όμως υπάρχει μια μεγάλ, αν και όχι υπολογισμένη, ποσότητα μεθανίου διαλυμένης στους ωκεανούς και τους «αιώνιους πάγους», και η οποία, με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου αρχίζει να επανεκλύεται σετην ατμόσφαιρα, γιατί η διαλυτότητα του CO₂ στο νερό μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η επιπλέον αυτή ποσότητα μεθανίου θα έχει επιπλέον συνεισφορά στο φαινόμενο, επιταχύνοντας τη διαδικασία.
Ο φλοιός της Γης επίσης περιέχει μεγάλες ποσότητες μεθανίου, που ΄συνεχίζουν να παράγονται με τη διαδικασία της αναερόβιας μεθανοσύνθεσης. Άλλες πηγές μεθανίου περιλαμβάνουν τα ηφαίστεια.

[Επεξεργασία] Εξωγήινο μεθάνιο

Το μεθάνιο έχει ανιχνευθεί σε αρκετές περιοχές του ηλιακού συστήματος. Πιστεύεται ότι έχει συνθεθεί με αβιοτικές διεργασίες, με πιθανή εξαίρεση στον Άρη, όπου δεν έχει αποκλειστεί η ύπαρξη ζωής κάποτε.

• Σελήνη: Έχουν εντοπιστεί ίχνη στη λεπτή της ατμόσφαιρα^[1]
• Άρης; Στην ατμόσφαιρά του περιέχει 10 ppb μεθάνιο.
• Δίας: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 0,3% μεθάνιο.
• Κρόνος: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 0,4% μεθάνιο.
  • Τιτάνας: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 1,6% μεθάνιο^[2].
  • Εγκέλαδος: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 1,7% μεθάνιο^[3].
• Ουρανός: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 2,3% μεθάνιο.
  • Άριελ: Το μεθάνιο πιστεύεται ότι είναι συστατικό του επιφανειακού της πάγου.
  • Όμπερον: Περίπου το 20% του επιφανειακού του πάγοπυ πιστεύεται ότι αποτελείται από μεθάνιο ή και αζωτούχα παράγωγά του.
  • Τιτανία - Περίπου το 20% του επιφανειακού του πάγοπυ πιστεύεται ότι αποτελείται από μεθάνιο ή και άλλα οργανικά παράγωγά του.
  • Umbriel: Το μεθάνιο πιστεύεται ότι είναι συστατικό του επιφανειακού της πάγου.
• Ποσειδών: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 1,6% μεθάνιο.
  • Τρίτων: Η ατμόσφαιρά του περιέχει άζωτο με μικρές ποσότητες μεθανίου κοντά στην ατμόσφαιρα^[4][5].
• Πλούτων: φασματοσκοπική ανάλυση τηςεπιφάνειάς του αποκαλύπτει ότι περι'εχει ίχνη μεθανίου^[6][7].
  • Χάρων: ¨Πιστεύεται ότι υπάρχει μεθάνιο, αλλά δεν είναι 100% επιβεβαιωμένο^[8].
• Έρις: Η υπέρυθρη ακτινοβολία από το αντικείμενο αποκαλύπτει την παρουσία παγωμένου μεθανίου^[9].
• Εξωηλιακός πλανήτης HD 189733b: Περιέχει την πρώτη ανίχνευση οργανικής ουσίας σε πλανήτη εκτός του ηλιακού συστήματος. Είναι άγνωστο από πού προήλθε, δεδομένου ότι η υψηλή θερμοκρασία των 700°C ευνοεί έντονα τη διάσπαση κάθε οργανικής ένωσης προς σχηματισμό CO^[10].

[Επεξεργασία] Παρασκευές

[Επεξεργασία] Στη βιομηχανία

1. Απομονώνεται από το φυσικό αέριο.
2. Απομονώνεται από το βιοαέριο που παράγεται με ζυμώσεις βιομάζας.
3. Απομονώνεται από αέρια μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πλαστικού.
4. Με απευθείας ένωση άνθρακα και υδρογόνου (απουσία αέρα) σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση και παρουσία καταλυτών

[Επεξεργασία] Στο εργαστήριο

1. Mε την επίδραση νερού σε ανθρακαργίλιο^[11]:

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃

2. Με αναγωγή μεθυλαλογονιδίου^[12]:

1. Με αναγωγή μεθυλαλογονιδίου από «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:

CH₃X + Zn + HX → CH₄ + ZnX₂

2. Με αναγωγή μεθυλαλογονιδίου από LiAlH₄:

4CH₃X + LiAlH₄ → 4CH₄ + AlX₃ + LiX

3. Με αναγωγή από μέταλλα και στη συνέχεια υδρόλυση των παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων:

1. Με χρήση Li:

^[13]

CH₃Li + H₂O → CH₄ + LiOH

2. Με χρήση Mg:

^[14]

CH_3MgX + H₂O → CH₄ + Mg(OH)X

4. Με αναγωγή μεθυλοϊωδίδιου από HI:

CH₃I + HI → CH₄ + I₂

3. Mε τη θέρμανση CH₃COONa σε αλκαλικό περιβάλλον:

[Επεξεργασία] Ιδιότητες

[Επεξεργασία] Οξείδωση

1. Τέλεια καύση: Αντιδρά με οξυγόνο και καίγεται παράγοντας γαλαζωπή φλόγα υψηλής θερμοκρασίας:

Αν και η αντίδραση είναι μια έντονα εξώθερμη δεν συμβαίνει σε μέτριες θερμοκρασίες, γιατί για την έναρξή της πρέπει να υπερπηδηθεί πρώτα το εμπόδιο της διάσπασης των 4 δεσμών C-H: ΔH_C-H = +415 KJ/mol, καθώς και των 2 δεσμών (Ο=Ο) του O₂.

2. Παραγωγή υδραερίου:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

[Επεξεργασία] Αλογόνωση

• Δραστικότητα των X₂: F₂ > Cl₂ > Br₂ > Ι₂.

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του CH₄:

1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες.

• Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το υπεριώδες φως (UV) ή θερμότητα (Δ).

2. Διάδοση: Καταναλώνονται οι παλιές ελεύθερες ρίζες, σχηματίζοντας νέες.

^[15]

3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.

• Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή CH₃X.

• Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες RH και Χ₂ θα παραχθεί μίγμα CH₃X, CH₂X², CH₃, ακόμη και CX₄.
• Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CH₄, τότε η απόδοση του CH₃X αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης CH₄ me Cl^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης CH₃X και Cl^., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή CH₂X₂, κ.τ.λ.

[Επεξεργασία] Χρήσεις

1. Ως καύσιμο, με τη μορφή φυσικού αερίου, βιοαερίου και φωταερίου.
2. Ως πρώτη ύλη για των ακόλουθων:

• Υδραέριο (CO + H₂)
• Μεθανόλη (CH₃OH)
• Νιτρομεθάνiο (CH₃NO₂)
• μεθυλαλογονιδίων [όπως π.χ. χλωροφόρμιο (CHCl₃), τετραχλωράνθρακας (CCl₄), φρεόν (CF₂Cl₂)],
• Μεθανάλη (H₂C=O)
• Αιθίνιο (ΗC≡CH)

κ.ά.

[Επεξεργασία] Παρατηρήσεις

1. ↑ Stern, S.A. (1999). "The Lunar atmosphere: History, status, current problems, and context". Rev. Geophys. 37: 453–491.
2. ↑ H. B. Niemann, et al. (2005). "The abundances of constituents of Titan’s atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe". Nature 438: 779–784. DOI:10.1038/nature04122.
3. ↑ Waite, J. H.; et al.; (2006); Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer: Enceladus Plume Composition and Structure, Science, Vol. 311, No. 5766, pp. 1419–1422
4. ↑ A L Broadfoot, S K Bertaux, J E Dessler et al. (December 15 1989). "Ultraviolet Spectrometer Observations of Neptune and Triton". Science 246: 1459–1466. Ανακτήθηκε στις 2008-01-15.
5. ↑ Ron Miller; William K. Hartmann (May 2005). The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System, 3rd, Thailand: Workman Publishing, 172–73.
6. ↑ Tobias C. Owen, Ted L. Roush et al. (6 August 1993). "Surface Ices and the Atmospheric Composition of Pluto". Science 261 (5122): 745–748. DOI:10.1126/science.261.5122.745. Ανακτήθηκε στις 2007-03-29.
7. ↑ Pluto. SolStation (2006). Ανακτήθηκε 2007-03-28 .
8. ↑ B. Sicardy et al (2006). "Charon’s size and an upper limit on its atmosphere from a stellar occultation". Nature 439: 52. DOI:10.1038/nature04351.
9. ↑ Mumma, M.J., Disanti, M.A., dello Russo, N., Fomenkova, M., Magee-Sauer, K., Kaminski, C.D., and D.X. Xie (1996). "[[[:Πρότυπο:ADS]] Detection of Abundant Ethane and Methane, Along with Carbon Monoxide and Water, in Comet C/1996 B2 Hyakutake: Evidence for Interstellar Origin]". Science 272: 1310. DOI:10.1126/science.272.5266.1310.
10. ↑ Stephen Battersby (2008-02-11). Organic molecules found on alien world for first time. Ανακτήθηκε 2008-02-12 .
11. ↑ ειδική μέθοδος παρασκευής CH₄
12. ↑ (όπου X: I>Br>Cl, όχι F)
13. ↑ όπου |Ετ₂Ο| : άνυδρος διαιθυλαιθέρας
14. ↑ αντιδρασήριο Grignard
15. ↑ καθοριστικό ταχύτητας

[Επεξεργασία] Πηγές

• Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Microsoft Encarta 2004 (Μόνο σ.τ. και σ.ζ.)
• Αγγλόφωνη Wiki
• Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.